第11講 原電池 -【暑假彎道超車】2023年新高二化學暑假講義、習題（原卷版）

學而優(yōu)教有方第11講原電池1.宏觀辨識與微觀探析：以鋅銅原電池為例，從宏觀和微觀的角度，分析理解原電池的工作原理，能正確判斷原電池的正極和負極，會書寫其電極反應式。2.變化觀念與平衡思想：進一步理解化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化，認識從簡單原電池發(fā)展到帶有鹽橋原電池的過程變化，并能理解帶有鹽橋原電池的實用性。3.證據(jù)推理與模型認知：通過對常見化學電源的分析，建立對原電池過程系統(tǒng)認識的思維模型，提高對原電池本質(zhì)的認識。4.科學態(tài)度與社會責任：增強科技意識，染。一、原電池的工作原理1.概念和反應本質(zhì)原電池是把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其反應本質(zhì)是自發(fā)進行的氧化還原反應。2.構(gòu)成條件(1)一看反應：看是否有能自發(fā)進行的氧化還原反應發(fā)生(一般是活潑性強的金屬與電解質(zhì)溶液反應)。(2)二看兩電極：一般是活潑性不同的兩電極。(3)三看是否形成閉合回路，形成閉合回路需三個條件：①電解質(zhì)溶液；②兩電極直接或間接接觸；③兩電極插入電解質(zhì)溶液中。3.銅鋅原電池工作原理①電子移動方向：鋅失電子逐漸溶解變成Zn2＋進入溶液，電子從負極經(jīng)導線流入正極。②離子移動方向：陰離子向負極移動(如SOeq\o\al(2－,4))，陽離子向正極移動(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正極上得電子形成氫氣在銅片上冒出)。③兩極電極反應式負極(鋅極)：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反應)。正極(銅極)：2H＋＋2e－=H2(還原反應)?？偡磻篫n＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。4.原電池原理的應用(1)比較金屬的活動性強弱：原電池中，負極一般是活動性較強的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或非金屬)。(2)加快化學反應速率：一個自發(fā)進行的氧化還原反應，形成原電池時會使反應速率增大。如在Zn與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液構(gòu)成原電池，反應速率增大。(3)用于金屬的防護：使被保護的金屬制品作原電池正極而得到保護。如要保護一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負極。(4)設(shè)計制作化學電源①拆分反應：將氧化還原反應分成兩個半反應。②選擇電極材料：將還原劑（一般為比較活潑的金屬）作負極，活潑性比負極弱的金屬或非金屬導體作正極。如果還原劑不是金屬而是其它還原性物質(zhì)，可選擇惰性電極——石墨棒、鉑片作負極。③構(gòu)成閉合回路：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負極發(fā)生反應(如溶解于溶液中的空氣)。如果兩個半反應分別在兩個容器進行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質(zhì)溶液應含有與電極材料相同的金屬的陽離子。④畫裝置圖：結(jié)合要求及反應特點，畫出原電池裝置圖，標出電極材料名稱、正負極、電解質(zhì)溶液等。5.一般電極反應式的書寫方法(1)判斷原電池的正、負極，即找出氧化劑和還原劑。(2)結(jié)合介質(zhì)的酸堿性確定還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。(3)寫出電極反應式，將兩式相加得總反應式。二、原電池的應用1．加快氧化還原反應的速率構(gòu)成原電池的反應速率比直接接觸的反應速率快，例如，在鋅與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應生成Cu，從而形成Cu－Zn微小原電池，加快產(chǎn)生H2的速率。2．比較金屬活動性強弱例如，有兩種金屬a和b，用導線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。由此可判斷出a是負極、b是正極，且金屬活動性：a>b。3．設(shè)計原電池理論上，任何一個自發(fā)的氧化還原反應，都可以設(shè)計成原電池。(1)電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極材料發(fā)生反應。但若是兩個半反應分別在兩個燒杯中進行，則左右兩個燒杯中的電解質(zhì)溶液應與電極材料具有相同的陽離子。(2)電池的電極材料必須能導電。①活動性不同的兩種金屬。如鋅銅原電池，鋅作負極，銅作正極。②金屬和非金屬。如鋅作負極，石墨棒作正極。③金屬和化合物。如鉛蓄電池，鉛塊作負極，PbO2作正極。④惰性電極。如氫氧燃料電池中，兩電極均可用Pt。三、化學電源一次電池1．化學電源(1)化學電源的分類原電池是化學電源的雛形，常分為如下三類：①一次電池：也叫做干電池，放電后不可再充電。②二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生。③燃料電池：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學電源。(2)判斷電池優(yōu)劣的主要標準①比能量：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。②比功率：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W·kg－1或W·L－1。③電池可儲存時間的長短。(3)化學電池的回收利用使用后的廢棄電池中含有大量的重金屬、酸和堿等有害物質(zhì)，隨處丟棄會給土壤、水源等造成嚴重的污染。廢棄電池要進行回收利用。(4)化學電源的發(fā)展方向小型化、供電方便、工作壽命長、不需要維護的電池受到人們的青睞。如鎳氫電池、鋰離子電池等。一次電池：（1）鋅錳干電池普通鋅錳干電池堿性鋅錳干電池示意圖構(gòu)造負極：鋅正極：石墨棒電解質(zhì)溶液：氯化銨和氯化鋅負極反應物：鋅粉正極反應物：二氧化錳電解質(zhì)溶液：氫氧化鉀工作原理負極：Zn－2e－＋2NHeq\o\al(＋,4)Zn(NH3)eq\o\al(2＋,2)＋2H＋正極：2MnO2＋2H＋＋2e－2MnO(OH)總反應：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)負極：Zn＋2OH－－2e－Zn(OH)2正極：2MnO2＋2H2O＋2e－2MnO(OH)＋2OH－總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋Zn(OH)2(2)銀鋅電池——一次電池負極反應：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正極反應：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；總反應：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。(3)鋰電池——一次電池Li－SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4－SOCl2。電池的總反應可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①負極材料為鋰，電極反應為8Li－8e－===8Li＋。②正極的電極反應為3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－。四、二次電池1．鉛蓄電池鉛蓄電池是常見的二次電池，其放電反應和充電反應表示如下：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O(1)負極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。(2)放電反應原理①負極反應式是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－PbSO4；②正極反應式是PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－PbSO4＋2H2O；③放電過程中，負極質(zhì)量的變化是增大，H2SO4溶液的濃度減小。(3)充電反應原理①陰極(還原反應)反應式是PbSO4＋2e－Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；②陽極(氧化反應)反應式是PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；③充電時，鉛蓄電池正極與直流電源正極相連，負極與直流電源負極相連。即“負極接負極，正極接正極”。2．鋰離子電池電極電極反應負極嵌鋰石墨(LixCy)：LixCy－xe－xLi＋＋Cy正極鈷酸鋰(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－LiCoO2總反應LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy反應過程：放電時，Li＋從石墨中脫嵌移向正極，嵌入鈷酸鋰晶體中，充電時，Li＋從鈷酸鋰晶體中脫嵌，由正極回到負極，嵌入石墨中。這樣在放電、充電時，鋰離子往返于電池的正極、負極之間完成化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化?！痉椒记伞炕瘜W電源電極反應式的書寫(1)由裝置圖或電池總反應式確定電池的正極、負極及各極反應物。(2)電解質(zhì)溶液中的其他離子的影響，若陰離子與負極產(chǎn)生的陽離子不共存，該陰離子寫入負極反應式。(3)原電池的正極材料多數(shù)只起導電作用，而化學電源的正極材料大多數(shù)參與電極反應。五、燃料電池1．燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學電源。電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。燃料電池工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排出，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能。2．氫氧燃料電池是一種清潔高效的燃料電池(1)基本構(gòu)造(2)工作原理酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負極反應2H2－4e－4H＋2H2－4e－＋4OH－4H2O正極反應O2＋4e－＋4H＋2H2OO2＋4e－＋2H2O4OH－總反應2H2＋O22H2O3.能量轉(zhuǎn)換所有的燃燒均為放熱反應，若能量以電的形式向外釋放，則形成燃料電池，所以燃料電池的總方程式類似燃燒的總方程式，只不過條件不同而已。理論上來說，所有的燃燒反應均可設(shè)計成燃料電池，所以燃料電池的燃料除氫氣外，還有烴、肼、甲醇、氨、煤氣等氣體或液體，且能量轉(zhuǎn)化率超過80%，由燃料電池組合成的發(fā)電站被譽為“綠色發(fā)電站”。4．燃料電池電極的書寫方法電極的負極反應物一定是燃料，正極反應物為O2或空氣。據(jù)氧化還原反應規(guī)律，負極燃料失電子發(fā)生氧化反應，正極氧氣得電子發(fā)生還原反應。特別注意電解質(zhì)溶液酸堿性不同的區(qū)別?？筛鶕?jù)電荷守恒來配平電極反應式?！痉椒记伞咳剂想姵仉姌O反應式書寫的注意事項(1)燃料電池的總反應相當于燃料的燃燒，書寫總反應方程式時，要注意產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液是否發(fā)生反應，若能反應，電解質(zhì)溶液要寫在總反應方程式中。(2)燃料電池正極反應的本質(zhì)是氧氣得電子發(fā)生還原反應，即O2＋4e－2O2－，產(chǎn)生的O2－存在形式與電解質(zhì)溶液的酸堿性和電解質(zhì)的狀態(tài)有著密切的關(guān)系。(3)書寫燃料電池的電極反應式，一定要注意電解質(zhì)的酸堿性。堿性溶液電極反應式不能出現(xiàn)H＋；酸性溶液電極反應式不能出現(xiàn)OH－?？键c一原電池的構(gòu)成及工作原理例1．銅鋅原電池裝置如圖所示，下列分析不正確的是

A．使用鹽橋可以清楚地揭示出電池中的化學反應B．原電池工作時，Cu電極流出電子，發(fā)生氧化反應C．原電池工作時，總反應為Zn＋Cu2+=Zn2+＋CuD．原電池工作一段時間，右側(cè)容器中的溶液增重考點二原電池工作原理的應用例2．依據(jù)氧化還原反應設(shè)計的原電池如圖所示。下列說法正確的是

A．X電極上發(fā)生的電極反應為：B．電極X的材料是Cu，電解質(zhì)溶液Y是CuSO4溶液C．銀電極為電池的負極，被氧化D．鹽橋中K+移向CuSO4溶液考點三一次電池例3．常見鋅錳干電池的構(gòu)造如下圖所示，下列說法不正確的是A．該電池屬于一次電池B．電池工作時，電能轉(zhuǎn)化為化學能C．電池工作時，電子由鋅筒流出經(jīng)過外電路流向石墨棒D．電池工作時，鋅筒作負極，電極反應式為考點四二次電池例4．下列有關(guān)如圖所示鉛蓄電池的說法正確的是A．放電時，鉛被還原B．放電時，電解質(zhì)溶液增大C．充電時，原極接電源的負極即可復原D．放電時總反應：考點五燃料電池例5．一種熔融碳酸鹽燃料電池原理如圖所示。下列說法正確的是

A．電子從電極A經(jīng)熔融碳酸鹽轉(zhuǎn)移到電極BB．熔融碳酸鹽中CO向電極B移動C．CH4在電極A放電生成CO2D．反應過程熔融鹽中CO的物質(zhì)的量不變考點六新型電池例6．鋁空氣電池因成本低廉、安全性高，有廣闊的開發(fā)應用前景。一種鋁空氣電池放電過程示意如圖，下列說法正確的是A．b極為負極，放電時發(fā)生氧化反應B．電路中每轉(zhuǎn)移4mol電子，消耗22.4L氧氣C．放電時OH-往b極遷移D．該電池負極電極反應為：Al+4OH--3e-=AlO+2H2O1．以下裝置工作時，可實現(xiàn)化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿氖茿BCD太陽能電池風力發(fā)電氫氧燃料電池電動汽車充電2．下圖是以Cu和Zn為電極的兩種原電池，設(shè)為阿伏加德羅常數(shù)的值，下列相關(guān)敘述錯誤的是A．(a)和(b)相比，(a)的能量利用率更高，電流更穩(wěn)定B．(a)和(b)均為Zn作負極，Cu作正極C．(a)中移向Cu電極，移向Zn電極D．(b)中Zn片質(zhì)量減少6.5g時，理論上電路中轉(zhuǎn)移個電子3．某同學根據(jù)化學反應Fe+Cu2+=Fe2++Cu，并利用實驗室材料制作原電池。下列關(guān)于該原電池組成的說法正確的是選項ABCD正極石墨棒石墨棒鐵棒銅棒負極鐵棒銅棒銅棒鐵棒電解質(zhì)溶液CuCl2溶液CuCl2溶液FeSO4溶液FeSO4溶液4．某銅鋅原電池的結(jié)構(gòu)如圖所示，下列說法正確的是A．Cu電極為該原電池的負極B．Zn電極發(fā)生還原反應C．若鹽橋中電解質(zhì)為KCl，則電池工作時移向溶液D．Zn電極上的電極反應式為5．堿性鋅錳電池總反應Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列說法正確的是A．該電池為二次電池B．Zn為正極，MnO2為負極C．工作時電子由MnO2經(jīng)外電路流向ZnD．負極電極反應Zn+2OH－?2e－=Zn(OH)26．銀鋅電池是一種常見化學電源，其反應原理為：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag，其工作示意圖如圖。下列說法正確的是A．Zn電極是正極B．Ag2O電極上發(fā)生氧化反應C．Zn電極的電極反應式為：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2D．放電一段時間后，溶液的pH變小7．僅用提供的下列各組物質(zhì)能組成原電池的選項ABCD電極材料Al、AgC、CCu、CuCu、Fe電解質(zhì)溶液稀稀稀酒精8．微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是A．正極反應中有H2O生成B．微生物參與的反應中無電子的轉(zhuǎn)移C．質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)D．電池總反應為9．氫是燃料電池的理想燃料。氫燃料電池的使用推動了氫氣制取、儲存和利用技術(shù)的不斷創(chuàng)新。氨在燃料電池中與O2反應生成N2和H2O，氨易于儲存，且泄漏時易被察覺，也是燃料電池的理想燃料。一種氫氧燃料電池的反應裝置如圖所示。下列說法正確的是A．電極a是正極B．電子經(jīng)導線由電極b流入電極aC．該電池的總反應為2H2+O2=2H2OD．該裝置可將電能轉(zhuǎn)化為化學能10．用如圖裝置進行實驗，產(chǎn)生電流。下列說法不正確的是A．b為電池的負極B．工作一段時間后，a極附近溶液pH減小C．K+從a極經(jīng)陽離子交換膜移動到b極D．該裝置的總反應為：H2+Cl2+2OH-=2Cl-+2H2O11．我國科研人員以二硫化鉬(MoS2)作為電極催化劑，研發(fā)出一種Zn-NO電池系統(tǒng)，該電池同時具備合成氨和對外供電的功能，其工作原理如下圖所示(雙極膜可將水解離成H+和OH-，并實現(xiàn)其定向通過)。下列說法正確的是使用MoS2電極能加快合成氨的速率 B．外電路中電子從MoS2電極流向Zn/ZnO電極C．雙極膜左側(cè)為陽離子交換膜 D．當電路中轉(zhuǎn)移0.2mol電子時負極質(zhì)量減小6.5g12．某原電池裝置如圖所示，電池總反應為。下列說法不正確的是A．充分放電后左側(cè)溶液中的鹽酸濃度基本不變B．正極反應為C．放電時，交換膜右側(cè)溶液不會有大量白色沉淀生成D．當電路中轉(zhuǎn)移時，經(jīng)過交換膜的離子是13．微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示，質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子和水通過。下列有關(guān)微生物電池的說法不正確的是A．微生物促進了反應中電子的轉(zhuǎn)移B．正極反應中有生成C．質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)D．正極的電極反應式為14．我國科學家最近發(fā)明了一種電池，電解質(zhì)為、和KOH，通過a和b兩種離子交換膜將電解質(zhì)溶液隔開，形成M、R、N三個電解質(zhì)溶液區(qū)域，結(jié)構(gòu)示意圖如下。下列說法不正確的是A．a(chǎn)為陽離子交換膜、b為陰離子交換膜B．電子由Zn電極經(jīng)過外電路流向電極C．放電時，Zn電極反應為D．消耗6.5gZn的同時，電極理論上應增重3.2g15．Cu-Zn(假設(shè)起始時兩電極質(zhì)量完全相同)原電池的裝置示意圖如圖，下列說法正確的是(不考慮水解反應)A．M為Zn電極，發(fā)生還原反應，失去電子B．電池工作一段時間后，溶液的pH保持不變C．電池工作一段時間后，M和N兩電極質(zhì)量仍相同D．每轉(zhuǎn)移0.2mol電子，同時生成2.24L16．高鐵電池是一種新型高能高容量電池，某高鐵電池的工作原理如圖所示。下列說法正確的是A．M電極為陰極B．電池工作時，電流方向為：C．極的電極反應式為D．電池工作一段時間后，正極區(qū)中的濃度增大17．甲烷是重要的能源物質(zhì)，下列關(guān)于甲烷的敘述不正確的是已知：

kJ?molA．甲烷的燃燒熱是890.3kJ?molB．上述反應每消耗1mol轉(zhuǎn)移8molC．甲烷燃料電池中，通入甲烷的電極上發(fā)生還原反應D．1mol完全燃燒生成時，放出的熱量少于890.3kJ18．已知熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理示意圖如下，下列說法中正確的是A．放電時，正極的電極反應為B．放電時，負極的電極反應為C．放電時，移向負極D．充電時，A電極與外接電源的正極相連19．鈉離子電池被認為是極具潛力的下一代電化學儲能技術(shù)，與鋰離子電池有類似的工作原理，其